隧道大角度下穿既有隐伏溶洞最小顶板厚度的确定及工程问题分析

李晓林 张行道 雷路路 何鑫和

1.中铁建大桥工程局集团第二工程有限公司 广东深圳 518083；
2.中国铁建大桥工程局集团有限公司 天津 300000；
3.西安建筑科技大学隧道与地下结构工程研究所 陕西西安 710055

我国岩溶具有分布广、面积大的特点，尤其在云、贵、川等西南地区修建隧道时岩溶是最常见的不良地质[1]。在岩溶段隧道的施工中，由于溶洞相对于隧道的位置、类型、填充程度各不相同，使得岩溶段隧道施工安全的风险增大。若溶洞位于隧道下方，容易导致隧道底板的失稳塌落；
若岩溶位于隧道顶部，易导致隧道的坍塌；
若隧道穿越高富水岩溶，易给隧道造成涌水突泥的危险[2]。

国内许多学者对岩溶隧道进行了研究，马明月等[3-4]研究了超前地质预报在岩溶隧道的应用；
张磊等[5-6]研究了充填溶洞的处理技术；
赵勇等[7-8]进行溶洞与隧道安全距离的研究。但对隧道下穿既有隐伏溶洞的顶板厚度问题研究较少，以下主要进行就隧道与溶洞最小顶板厚度和受较大结构面控制的岩柱塌陷进行研究。

在岩溶段隧道工程中，隧道围岩的稳定性受到溶洞位置、大小等因素的影响[9]，因此对围岩稳定性进行研究时，通常将隧道受溶洞的影响因素进行合理的简化，形成简单易算的力学模型。宋战平等[10]假设溶洞在隧道上方是一个球形溶洞，且溶洞直径尺寸小于2 倍隧道尺寸时，其简化模型如图1 所示。

图1 隧道简化模型

2.1 溶洞与隧道间岩柱垮塌机理分析

当隧道施工没有进入影响溶洞稳定的范围时，岩柱受到周边岩体的约束，处于稳定状态。当周围岩体因隧道施工受到扰动时，对岩柱位移的约束消失，岩柱可能发生破坏，造成隧道拱顶坍塌事故。从分析隧道施工时岩柱中受力变化情况入手进行隧道顶板岩柱破坏原因的研究。

（1）因隧道施工的影响，岩柱周围岩体被破坏，岩柱的位移约束消失，此时隧道顶板力学简化示意图如图2 所示。岩柱在重力的作用下，岩柱临隧道一侧将会出现拉应力，而临溶洞一侧将会出现较大的压应力；
若拱顶侧拉应力超过岩柱的抗拉强度，岩柱将发生破快，引发拱顶的坍塌。

图2 隧道顶板力学示意图

（2）对于含水溶洞而言，隧道施工引起岩溶水的流失，溶洞周围岩体含水率下降，改变了岩柱的受力状态，岩体的浮托力降低，岩柱的荷载增加，当荷载超过岩层承载极限后，岩柱发生失稳破坏，导致隧道拱顶的坍塌。

（3）隧道钻爆法施工时，会对周边岩体产生强烈的爆破冲击波，对岩柱造成结构破坏，增大了地下水径流通道，导致隧道拱顶发生剪切破坏。

在上述共同作用影响下，隧道施工过程中拱顶岩柱初始状态被打破，引起隧道拱顶的坍塌，对隧道施工的安全、质量和工期造成严重的影响。

2.2 岩溶隧道最小顶板厚度问题

2.2.1 隧道与溶洞间岩柱的简化模型

对于顶部溶洞的隧道工程而言，隧道施工时保证拱顶的安全是一个关键问题，拱顶与溶洞间岩柱的最小厚度关系到隧道施工的安全、质量和效率。

对于顶部溶洞而言，其在隧道横向尺寸大于隧道轴向尺寸，因此，在其自重和人为荷载的影响下，其两端可简化为简支模式。对于对隧道危害最大的较薄岩柱的情况，可将顶板视为薄板。根据隧道顶板的状态可将岩柱简化为两种力学模型进行分析。

（1）四端简支的薄板，其力学模型如图3 所示。对于顶部存在大跨度溶洞或溶洞轴线与隧道轴线小角度相交的情况，因上部临空，四边岩层无挟制作用或岩体中存在较大裂隙，但是仍可由岩体支撑，其力学模型可简化为四端简支的薄板；

图3 四端简支薄板力学模型

（2）两端简支，对边自由的薄板，其力学模型如图4所示。在隧道跨度方向上，因上部临空，两端岩层无挟制作用，可视为简支；
而在溶洞跨度方向上，岩体中存在贯穿性的较大裂隙，可视为自由边界。

图4 两端简支薄板力学模型

2.2.2 隧道顶板安全厚度的经验估算法

隧道顶板的安全厚度是指施工过程中保证隧道与溶洞之间岩层稳定性的最小岩层厚度[11]。此厚度保证在隧道的施工过程中不会引起拱顶的坍塌，确保隧道施工顺利的进行。

在隧道施工时，在爆破振动等因素的影响下，岩体结构遭到破坏，导致围岩应力的重分布，围岩强度降低，对我国西南地区多处岩溶隧道塌方资料的分析，隧道顶部松动带的高度按式(1)进行估算。

式中：B——隧道的跨度，m；

I——B＝5m 的围岩垂直荷载高度为准，B每增减1m 时的围岩垂直荷载高度增减率；
当B＜5 时，取i＝0.2；
B＝5～15m 时，取i＝0.1；
B＞15m 时，取i＝0.1；

S——围岩的级别。

考虑到钻爆法开挖过程中，强烈的冲击波会对围岩造成破坏，降低围岩强度，为保证隧道顶板的安全，将安全系数取为2，以确保隧道开挖时的隧道顶板安全。因此，隧道的最小安全顶板厚度可按式(2)估算。

按式(2)计算出隧道顶板的最小安全厚度，如果小于溶洞与隧道间岩柱厚度，则可以推断隧道顶板是比较安全的；
反之隧道顶板是不安全的，必须对其进行预处理，保证隧道顶板的安全。

2.3 受较大结构面控制时的岩柱塌陷分析

隧道在断层带的附近施工时，常常会发生一些较大规模、有突发性的陷落现象。此类隧道灾害一般规模较大，调查表明，此类危害受到岩脉、断层或较大结构面的影响较大。当结构面的抗剪强度弱化或不足时，将会导致柱状体的塌落，造成隧道事故。此类事故的发生主要有两种类型：第一种塌陷一般在隧道开挖爆破时发生，对施工人员和设备的危害性相对较小；
第二种塌陷一般发生在有较大规模且具有充填性质溶洞段，且发生时间一般滞后于掌子面开挖时间，所以第二种塌陷因其一定的隐蔽性对隧道施工人员和设备的危害性较大，因此论文主要针对此类坍塌进行分析。

根据对岩溶区隧道顶板岩柱塌陷资料的综合分析，认为易形成隧道顶部岩柱塌陷条件如下：

（1）在以自重应力场为主的岩溶地区，易出现隧道顶板岩柱的塌陷问题。与构造应力大的岩溶地区相比，以自重应力场为主的岩溶地区，其最大主应力为竖直方向，而水平向应力相对较小，这种应力状态有利于垂直裂隙的张开和岩体的塌落；
在隧道开挖时，竖向荷载的卸除将导致竖向裂隙面强度的降低，引发岩柱的塌陷；

（2）在岩层平缓的岩溶地段，易产生较大的溶洞；
且在该地段，岩体多存在平面X 剪节理，其延伸远，切割深，穿层高度大，不受局部地层岩性、小构造的限制。它们易将层板状岩体切割成菱形块体，在张应力作用下，当这类结构岩体在底部开挖后，易于发生坍塌、陷落；

（3）受地质构造的控制，在向斜轴部易形成较大的溶洞，且在向斜轴部岩体上层存在较大压应力，下层存在较大的拉应力，当下方隧道施工开挖后，在自重作用下，拉应力增加，岩体结构容易被破坏形成块体向下脱落，继而引拱顶顶板坍塌事故。

以上部位岩体在隧道开挖之前，隧道与溶洞间岩柱在铅直方向上受拉，水平方向上受压。在隧道开挖之后，铅直方向上拉应力将进一步增强，同时靠隧道一侧岩体在水平方向上也将受拉。当拉应力超过下部岩体的抗拉强度时，岩层将发生冒落。在各种因素的综合作用下，隧道与溶洞间岩柱极易发生塌陷事故。

（1）通过对隧道与隧道顶部溶洞间的岩柱力学模型进行简化。将岩柱简化为薄板问题，根据其边界条件得出两个力学模型，通过对模型的理论分析，得出岩柱的最小安全厚度计算公式。

（2）对影响隧道与岩溶溶洞间岩柱稳定性的各因素进行了讨论，提出了施工期隧道顶板坍陷的主要影响因素，分析了顶板垮塌的机理。

（3）对存在较大结构面影响的岩柱的塌陷问题进行研究，提出顶部岩柱塌陷的影响因素，并通过力学极限平衡的分析，得出了评价岩柱塌陷的计算公式。

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